摩擦發電機用複合薄膜電極及其應用的製作方法

2024-04-10 08:27:05

本實用新型涉及化工領域，具體地，涉及複合薄膜電極及其應用，更具體地，涉及複合薄膜電極、摩擦發電機和發電鞋。

背景技術：

膜電極作為摩擦發電機的一個關鍵部件，其本身性質對摩擦發電機的發電能力影響極大。現有的摩擦發電機的膜電極採用聚合物膜鍍金屬層，在受力比較大的情況下，聚合物膜上的鍍金屬層容易脫落，並且，使用導電膠帶作為電極膜的原料，容易老化、生產成本高、貼膜工藝複雜。

由此，現有的膜電極有待改進。

技術實現要素：

本實用新型旨在至少解決現有技術中存在的技術問題之一。為此，本實用新型的一個目的在於提出一種複合薄膜電極，電極層設置在第一薄膜層和第二薄膜層之間，不易脫落。

因而，根據本實用新型的一個方面，本實用新型提供了一種摩擦發電機用複合薄膜電極。根據本實用新型的實施例，該複合薄膜電極包括：第一薄膜層；電極層，所述電極層覆蓋在所述第一薄膜層的至少部分表面上；第二薄膜層，所述第二薄膜層覆蓋在所述第一薄膜層和所述電極層的表面上。

根據本實用新型實施例的複合薄膜電極，電極層設置在第一薄膜層和第二薄膜層之間，相對於現有的表面鍍金屬層的薄膜電極，該電極層的結合牢固，不易脫落，並且電極層和薄膜層能夠實現完美的接觸和貼合，從而使採用這種電極結構的摩擦發電機輸出電性能得到很大提高。

任選地，電極層的厚度不受特別的限制，可以根據生產的強度需求進行調節。電極層的強度隨著厚度的增加而增大，當電極層的厚度為50～200微米時，保證複合薄膜電極具有足夠的強度與較小的厚度。

任選地，所述電極層的面積與所述第一薄膜層的面積比為0.5-1：1。

任選地，電極層可以由導電高分子聚合物構成，也可以由導電高分子聚合物和金屬納米顆粒構成。該電極層製備工藝簡單、成本低、容易複合。

進一步任選地，根據本實用新型的實施例，導電高分子聚合物選自聚噻吩基導電高分子聚合物、聚吡咯導電高分子聚合物、聚苯硫醚導電高分子聚合物、聚苯胺導電高分子聚合物的至少一種，優選導電高分子聚合物是聚噻吩基導電高分子聚合物，具體地，是基於聚噻吩基的導電高分子聚合物水溶液，該聚噻吩基導電高分子聚合物在水中的分散性和熱穩定性好。根據本實用新型的優選實施例，聚噻吩基的導電高分子聚合物含量為1.2-1.4重量％，聚合物的分散效果更佳，並且與水、醇或具有高介質常數的溶劑良好地混容，用此溶劑稀釋的塗敷液易於塗敷。

進一步任選地，金屬納米顆粒為選自金納米顆粒、銀納米顆粒、銅納米顆粒、鈀納米顆粒和釕納米顆粒的至少一種。由此，金屬納米顆粒的導電性和分散性好。

金屬納米顆粒的粒徑因導電膜的用途所需要的散射的程度而異，並且其形狀不能一概而論。任選地，金屬納米顆粒的平均粒徑為5nm-200nm時，金屬納米顆粒的導電性和分散性更佳。

任選地，導電高分子聚合物和金屬納米顆粒的重量比為1：0.001-0.1。由此，電極層的導電性好，成本低。如有金屬納米顆粒比例過低，則對於膜的導電性能無明顯影響，而如果金屬納米顆粒比例過高，雖然在一定程度上增加導電性，但顯著提高了生產成本，實際應用性下降。

任選地，電極層是由金屬網構成的。

任選地，金屬網孔徑為100-800微米。

任選地，金屬網是由金屬線按平行密排、局部搭接、十字搭接或菱形搭接方式構成。

任選地，所述第一薄膜層和所述第二薄膜層分別獨立地由熱固型高分子材料形成，優選矽膠和聚對苯二甲酸乙二醇酯，其中，所述矽膠優選為聚二甲基矽氧烷。

任選地，所述第一薄膜層的厚度為50-200微米，所述第二薄膜層的厚度為50-200微米。

在此基礎上，根據本實用新型的另一方面，本實用新型提供了一種摩擦發電機。根據本實用新型的實施例，所述摩擦發電機包括前述的複合薄膜電極。由此，摩擦發電機採用的該複合薄膜電極的電極層設置在第一薄膜層和第二薄膜層之間，電極層的結合牢固，不易脫落，使摩擦發電機的使用壽命延長，並且摩擦發電機的成本更低。

在此基礎上，根據本實用新型的另一方面，本實用新型提供了一種發電鞋。根據本實用新型的實施例，所述發電鞋包括前述的複合薄膜電極，或者前述的摩擦發電機。

根據本實用新型實施例的發電鞋，在鞋內設置前述的複合薄膜電極或者前述的摩擦發電機，由於複合薄膜電極的電極層設置在第一薄膜層和第二薄膜層之間，相對於現有的表面鍍金屬層的薄膜電極，該電極層的結合牢固，解決了現有的發電鞋在受力較大的情況下電極易脫落的問題，發電鞋的質量更好，使用壽命更長。

本實用新型的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本實用新型的實踐了解到。

附圖說明

本實用新型的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1顯示了根據本實用新型一個實施例的複合薄膜電極的結構示意圖；

圖2顯示了根據本實用新型一個實施例的複合薄膜電極的橫截面的結構示意圖；

圖3顯示了根據本實用新型一個實施例的製備複合薄膜電極的方法的流程示意圖。

具體實施方式

下面詳細描述本實用新型的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本實用新型，而不能理解為對本實用新型的限制。

在本實用新型的描述中，術語「縱向」、「橫向」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「頂」、「底」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本實用新型而不是要求本實用新型必須以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本實用新型的限制。

需要說明的是，術語「第一」、「第二」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有「第一」、「第二」的特徵可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特徵。進一步地，在本實用新型的描述中，除非另有說明，「多個」的含義是兩個或兩個以上。

根據本實用新型的一個方面，本實用新型提供了一種摩擦發電機用複合薄膜電極。參考圖1，根據本實用新型的實施例，該複合薄膜電極包括：第一薄膜層10、電極層20和第二薄膜層30。根據本實用新型的實施例，電極層20覆蓋在第一薄膜層10的至少部分表面上；第二薄膜層30覆蓋在第一薄膜層10和電極層20的表面上。

根據本實用新型實施例的複合薄膜電極，電極層設置在第一薄膜層和第二薄膜層之間，相對於現有的表面鍍金屬層的薄膜電極，該電極層與薄膜層能夠實現完美的接觸和貼合，牢固性高，生產成本低、工藝簡單、易於加工。

根據本實用新型的實施例，電極層20的厚度不受特別的限制，可以根據生產的強度需求進行調節。電極層20的強度隨著厚度的增加而增大，當電極層20的厚度為50～200微米時，保證複合薄膜電極的具有足夠的強度與較小的厚度。若電極層的厚度過小，則電極層牢固性不高，很容易脫落，影響摩擦發電機電性能輸出；若電極層厚度過大，則薄膜層柔韌性降低，導致薄膜層摩擦接觸不充分，摩擦發電機電輸出性能降低。

根據本實用新型的實施例，電極層20的面積與第一薄膜層10的面積比為0.5-1：1，其中，電極層的面積與第一薄膜層的面積分別指其在水平面上的投影面積，換句話說，電極層20在水平面上的投影面積與第一薄膜層10在水平面上的投影面積比值為0.5-1：1。如果面積不便於測量，也可以測量電極層邊緣與第一薄膜層邊緣的距離，即電極層邊緣與第一薄膜層邊緣的距離為0-20mm，其中，需要說明的是，電極層邊緣與第一薄膜層邊緣的距離是指電極層邊緣上任意一點與其距離最近的第一薄膜層邊緣上的點的距離。滿足上述條件，保證電極層能夠有很好的電荷收集能力。

根據本實用新型的實施例，電極層20可以由導電高分子聚合物構成，也可以由導電高分子聚合物和金屬納米顆粒構成。該電極層生產成本低、工藝簡單、易於加工。

進一步地，根據本實用新型的實施例，導電高分子聚合物是聚噻吩基導電高分子聚合物，具體地，是基於聚噻吩基的導電高分子聚合物水溶液，該聚噻吩基導電高分子聚合物在水中的分散性和熱穩定性好。根據本實用新型的優選實施例，聚噻吩基的導電高分子聚合物含量為1.2-1.4重量％，聚合物的分散效果更佳，並且與水、醇或具有高介質常數的溶劑良好地混容，用此溶劑稀釋的塗敷液易於塗敷。

進一步地，根據本實用新型的實施例，金屬納米顆粒為選自金納米顆粒、銀納米顆粒、銅納米顆粒、鈀納米顆粒和釕納米顆粒的至少一種。由此，金屬納米顆粒的導電性和分散性好。

此外，需要說明的是，金屬納米顆粒的粒徑因導電膜的用途所需要的散射的程度而異，並且其形狀不能一概而論。根據本實用新型的一些實施例，金屬納米顆粒的平均粒徑為5nm-200nm時，金屬納米顆粒的導電性和分散性更佳。

根據本實用新型的實施例，導電高分子聚合物和金屬納米顆粒的重量比為1：0.001-0.1。由此，電極層的導電性好，成本低。如有金屬納米顆粒比例過低，則對於膜的導電性能無明顯影響，而如果金屬納米顆粒比例過高，雖然在一定程度上增加導電性，但顯著提高了生產成本，實際應用性下降。

參考圖2，根據本實用新型的實施例，電極層是由金屬網構成的。由此，柔韌性適宜，導電性能好。

進一步地，根據本實用新型的實施例，金屬網由金屬線構成，金屬線之間的排列不受特別的限制，只要保證電極層的強度即可。根據本實用新型的一些實施例，金屬網可以為平行密排、局部搭接、十字搭接或菱形搭接形式的金屬線構成的網格，由此，電極層與第一和第二薄膜層有足夠大的接觸面積，不易脫落，從而具有很好的電荷收集能力。金屬網的孔徑在100-800微米範圍內，具有比重小，結合強度高的特點。若孔徑過小，一方面不容易製備，另一方面加大電極層重量，不利於實際應用；若孔徑過大，則金屬網電極層強度降低，在外力作用下很容易破損。

其中，需要說明的是，金屬網的孔徑是指相連金屬線圍成的圓孔的直徑或者相連金屬線圍成的其它形狀孔的內切圓的直徑，例如可以是正方形孔、菱形孔、三角形孔等。

根據本實用新型的實施例，第一薄膜層10和第二薄膜層20分別獨立地由熱固型高分子材料形成。根據本實用新型的優選實施例，第一薄膜層10和第二薄膜層20分別獨立地由矽膠和聚對苯二甲酸乙二醇酯形成。進一步地，根據本實用新型的優選實施例，矽膠為聚二甲基矽氧烷。

根據本實用新型的實施例，第一薄膜層10的厚度為50-200微米，第二薄膜層30的厚度為50-200微米。由此，薄膜層的強度隨著厚度的增加而增大，當第一薄膜層和第二薄膜層的厚度在上述範圍內時，摩擦部件厚度和強度適宜，應用範圍廣。

在此基礎上，根據本實用新型的另一方面，本實用新型進一步提供了一種摩擦發電機。根據本實用新型的實施例，所述摩擦發電機包括前述的複合薄膜電極。由此，摩擦發電機採用的該複合薄膜電極的電極層設置在第一薄膜層和第二薄膜層之間，電極層的結合牢固，不易脫落，使摩擦發電機的使用壽命延長，並且摩擦發電機的成本更低。

在此基礎上，根據本實用新型的另一方面，本實用新型進一步提供了一種發電鞋。根據本實用新型的實施例，所述發電鞋包括前述的複合薄膜電極，或者前述的摩擦發電機。

根據本實用新型實施例的發電鞋，在鞋內設置前述的複合薄膜電極或者前述的摩擦發電機，由於複合薄膜電極的電極層採用導電高分子聚合物或金屬網，並且設置在第一薄膜層和第二薄膜層之間，相對於現有的表面鍍金屬層的薄膜電極，該電極層的結合牢固，解決了現有的發電鞋在受力較大的情況下電極易脫落的問題，發電鞋的質量更好，使用壽命更長。

為了便於理解前述的複合薄膜電極，在此提供了一種製備前述的複合薄膜電極的方法。參考圖3，根據本實用新型的實施例，對製備複合薄膜電極的方法進行解釋說明，該方法包括：

S100形成第一薄膜層中間體

根據本實用新型的實施例，在第一模板表面塗布第一聚合物材料，得到第一薄膜層中間體。由此，僅需要一次塗布即可形成薄膜層，操作簡單方便。

其中，需要說明書的是，本文中的術語「薄膜層中間體」是指未固化的薄膜層，即形成薄膜層後，上述薄膜層還未經固化處理，仍為膠狀。

其中，需要說明的是，第一模板的表面可以具有凸起結構等花紋，進而，在第一薄膜層上形成相應的花紋結構。

S200第一除氣處理

根據本實用新型的實施例，將第一薄膜層進行第一除氣處理，得到除氣後的第一薄膜層。由此，去除第一薄膜層內及第一薄膜層與第一模板間空隙內的空氣，使第一模板的孔槽內充滿膠料。

根據本實用新型的具體實施例，第一除氣處理包括：將薄膜層中間體置於真空乾燥箱中，進行真空乾燥處理5-120min。由此，除氣處理的操作簡單，除氣效果好。

S300形成電極層

根據本實用新型的實施例，在除氣後的第一薄膜層的至少部分上表面上形成電極層。其中，電極層的材料可以根據生產需要進行選擇，可以是金屬材料，也可以是導電高分子材料。

根據本實用新型的一些實施例，形成電極層的方法包括：配置導電高分子塗布液，然後將導電高分子塗布液塗覆在所述除氣後的第一薄膜層上，並進行乾燥處理，形成所述電極層。由此，電極層的導電材料分布均勻，導電性好。

根據本實用新型的實施例，形成導電高分子塗布液的方法包括：將金屬納米顆粒進行第一分散處理，得到分散後的納米顆粒；將成膜劑、導電高分子聚合物和分散後的納米顆粒進行第二分散處理，得到導電高分子塗布液。由此，金屬納米顆粒的分散性差，通過兩步分散處理，使金屬納米顆粒均勻分散在導電高分子聚合物溶液中。

其中，需要說明的是，根據導電高分子聚合物和分散後的納米顆粒的種類不同，成膜劑的種類和組成也不同。根據本實用新型的一些實施例，所述成膜劑選自極性溶劑、成膜樹脂和表面活性劑的至少一種。根據本實用新型的一些實施例，成膜劑、導電高分子聚合物和金屬納米顆粒的質量比為：(3-10)：(70-85)：(0.5-1.5)。由此，電極層的導電性和耐候性好。

根據本實用新型的實施例，形成所述電極層的方法包括：將掩模板放置在除氣後的第一薄膜層的表面上；將金屬漿料刮塗在掩模板上，乾燥，形成金屬網；去除掩膜板，形成所述電極層。由此，電極層與第一薄膜層和第二薄膜層有足夠大的接觸面積，使薄膜層與網狀層結合強度更高，不易脫落，同時，使摩擦部件具有足夠的強度。

此外，需要說明的是，也可以直接將金屬網粘合在第一薄膜層上。

根據本實用新型的實施例，金屬網的孔徑在100-800微米範圍內，具有比重小，結合強度高的特點。若孔徑過小，一方面不容易製備，另一方面加大電極層重量，不利於實際應用；若孔徑過大，則金屬網電極層強度降低，在外力作用下很容易破壞。根據本實用新型的實施例，構成金屬網的金屬線之間的排列不受特別的限制，只要保證電極層的強度即可。根據本實用新型的一些實施例，金屬線可以呈平行排列、局部搭接、十字搭接或菱形搭接。由此，電極層與第一和第二薄膜層有足夠大的接觸面積，不易脫落。

S400形成第二薄膜層中間體

根據本實用新型的實施例，在第二模板表面塗布第二聚合物材料，得到第二薄膜層中間體。由此，僅需要一次塗布即可形成薄膜層，操作簡單方便。

其中，需要說明的是，第二模板的表面也可以具有凸起結構等花紋，進而，在第一薄膜層上形成相應的花紋結構。

此外，還需要說明的是，第一模板和第二模塊可以是相同的模板，也可以是不同的模板。

S500第二除氣處理

根據本實用新型的實施例，將第二薄膜層進行第二除氣處理，得到除氣後的第二薄膜層。由此，去除第二薄膜層內及第二薄膜層與第二模板間空隙內的空氣，使第二模板的孔槽內充滿膠料。

根據本實用新型的具體實施例，第二除氣處理包括：將薄膜層中間體置於真空乾燥箱中，進行真空乾燥處理5-120min。由此，除氣處理的操作簡單，除氣效果好。

S600形成複合薄膜電極

根據本實用新型的實施例，將第二薄膜層粘合在除氣後的第一薄膜層和電極層上，並進行壓合處理，形成複合薄膜電極。由此，電極層在第一薄膜層和第二薄膜層之間，不易脫落，使用壽命長。

其中，壓合處理可以採用熱壓或冷壓工藝進行的。

此外，為了提高壓合後複合薄膜電極的牢固性，可以在壓合處理前將形成有電極層的第一薄膜層和/或第二薄膜層相對的內表面刷塗粘合劑。

下面參考具體實施例，對本實用新型進行說明，需要說明的是，這些實施例僅僅是說明性的，而不能理解為對本實用新型的限制。

下面將結合實施例對本實用新型的方案進行解釋。本領域技術人員將會理解，下面的實施例僅用於說明本實用新型，而不應視為限定本實用新型的範圍。實施例中未註明具體技術或條件的，按照本領域內的文獻所描述的技術或條件或者按照產品說明書進行。所用試劑或儀器未註明生產廠商者，均為可以通過市購獲得的常規產品。

實施例1

利用本實用新型的製備複合薄膜電極的方法，以銅為電極層的原料，製備複合薄膜電極，具體步驟如下：

(1)亞克力剛性模板表面塗布矽膠，其中，該亞克力剛性模板表面具有陣列孔槽結構，塗布的矽膠厚度為200微米；

(2)將步驟(1)得到的塗布有矽膠的剛性模板置於真空乾燥箱中進行除氣處理，處理時間為15min，再70℃固化5min，得到除氣後的矽膠；

(3)將掩模板置於除氣後的矽膠上，再將液態銅漿在掩模板上進行刮塗，然後進行成型處理，在除氣後的矽膠層的表面形成金屬網電極層，金屬網為孔徑200微米的菱形網格，厚度為50微米；

(4)亞克力剛性模板表面塗布矽膠，其中，該亞克力剛性模板表面具有陣列孔槽結構，塗布的矽膠厚度為200微米；

(5)將步驟(4)得到的塗布有矽膠的剛性模板置於真空乾燥箱中進行除氣處理，處理時間為15min，得到除氣後的矽膠；

(6)將步驟(5)的除氣後的矽膠通過熱壓方式壓合在步驟(3)得到的產物的電極和矽膠層的上表面，得到膜電極中間體；

(7)將膜電極中間體進行烘乾處理，得到烘乾後的膜電極；

(8)將烘乾後的膜電極裁切，得到膜電極產品。

實施例2

利用本實用新型的製備複合薄膜電極的方法，以PEDT/PSS為導電高分子材料，其中PEDT/PSS是聚(3，4-乙烯基二氧噻吩)聚(苯乙烯磺酸鹽)的水性分散體，製備複合薄膜電極，具體步驟如下：

(1)將平均粒徑30nm的銀粒子置於乙醇溶液中，並加入2％的十二烷基苯磺酸鈉，進行超聲分散。

(2)將1g分散後的銀粒子加入含有60gPEDT/PSS的溶液中，超聲分散，得到塗布液。

(3)亞克力剛性模板表面塗布矽膠，其中，該亞克力剛性模板表面具有陣列孔槽結構，塗布的矽膠厚度為200微米；

(4)將步驟(3)得到的塗布有矽膠的剛性模板置於真空乾燥箱中進行除氣處理，處理時間為15min，得到除氣後的矽膠，將除氣後的矽膠分割成2塊；

(5)將塗布液塗布在一塊矽膠上，烘箱乾燥5分鐘，在矽膠表面形成高分子導電層，導電高分子層的厚度為100微米；

(6)在步驟(5)的產物的上表面塗粘合劑，然後將步驟(4)得到的另一塊矽膠通過熱壓方式壓合在其上，使兩層矽膠包覆高分子導電層，得到複合薄膜電極中間體；

(7)將複合薄膜電極中間體裁切，得到膜電極產品。

在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本實用新型的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。

儘管已經示出和描述了本實用新型的實施例，本領域的普通技術人員可以理解：在不脫離本實用新型的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本實用新型的範圍由權利要求及其等同物限定。